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Dokumentenidentifikation DE202007007055U1 04.10.2007
Titel Signalgebereinrichtung
Anmelder Metallux AG, 71404 Korb, DE
Vertreter Patentanwalts-Partnerschaft Rotermund + Pfusch + Bernhard, 70372 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 202007007055
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 04.10.2007
Registration date 30.08.2007
Application date from patent application 15.05.2007
IPC-Hauptklasse G01L 1/22(2006.01)A, F, I, 20070515, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01L 1/04(2006.01)A, L, I, 20070515, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalgebereinrichtung nach Art eines Mikroschalters, insbesondere Kraftsensor oder Drucksensor.

Mikroschalter zeichnen sich durch ihre geringe Größe aus, die beispielsweise im Bereich von weniger als 25 mm liegt. Mikroschalter lassen sich vielseitig einsetzen, um Schaltzustände mit einer Ein-Aus-Aussage oder Ja-Nein-Aussage zu detektieren. Beispielsweise kommen derartige Mikroschalter in Warenverkaufsautomaten, wie z.B. Zigarettenautomaten, zum Einsatz, um zu detektieren, ob ein bestimmter Warenschacht Ware enthält oder leer ist. Der jeweilige Schaltvorgang wird dabei dadurch ausgelöst, dass durch das Gewicht der Ware der jeweilige Mikroschalter betätigt wird. Durch Entnahme der letzten Ware geht der Mikroschalter durch das fehlende Betätigungsgewicht federbelastet in seine Ausgangsstellung zurück, wodurch eine entsprechende Signaländerung erfolgt. Ein herkömmlicher Mikroschalter kann somit ein Signal, das mit der Information „Warenschacht leer" korreliert, erzeugen, sobald tatsächlich im jeweiligen Schacht keine Ware mehr vorhanden ist.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Signalgebereinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Funktionalität auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Biegebalken und eine damit gekoppelte Biegesensorik zu verwenden, die mit der Biegebelastung des Biegebalkens korrelierte Signale generiert. Hierdurch ist es insbesondere möglich, beliebige Belastungszustände des Biegebalkens auszuwerten, so dass insbesondere mehr als zwei Schaltzustände detektierbar sind. Beispielsweise lässt sich zumindest ein Biegezustand des Biegebalkens detektieren, der zwischen einer minimalen oder fehlenden Durchbiegung und einer maximalen Durchbiegung liegt. Grundsätzlich lassen sich beliebig viele Biegezustände voneinander unterscheiden, was jedoch von der jeweils verwendeten Biegesensorik abhängt. Im Bezug auf das eingangs genannte Beispiel bedeutet dies, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Signalgebereinrichtung erkennbar ist, wie weit der jeweilige Warenschacht momentan noch befüllt ist. Somit kann mit Hilfe dieser Signalgebereinrichtung vorzeitig erkannt werden, wann ein Nachfüllen des jeweiligen Warenschachtes erforderlich wird, bevor die letzte Ware aus dem jeweiligen Schacht entnommen worden ist.

Der Biegebalken ist insbesondere federelastisch ausgestaltet, so dass er mit der Biegebelastung korrelierende Verformungen ermöglicht und dabei in sich federelastische Rückstellkräfte erzeugt, um bei abnehmender Biegebelastung selbsttätig in seine Ausgangsstellung zurückgehen zu können. Der Biegebalken kann dabei aus Leiterplattenmaterial oder aus einem elektrisch isolierten Federmetall oder aus einem beliebigen anderen Federmaterial bestehen. Bevorzugt besteht der Biegebalken aus einem elektrisch isolierten Material oder aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Biegesensorik unmittelbar am Biegebalken angebracht. Beispielsweise kann die Biegesensorik mittels Dickschichttechnologie, insbesondere im Siebdruckverfahren, auf den Biegebalken aufgedruckt sein.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittansicht einer Signalgebereinrichtung,

2 eine Schnittansicht der Signalgebereinrichtung entsprechend Schnittlinien II in 1,

3 eine Draufsicht auf einen Biegebalken der Signalgebereinrichtung von der einen Seite,

4 eine Draufsicht in 3, jedoch von der anderen Seite,

5 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Biegesensorik der Signalgebereinrichtung.

Entsprechend den 1 und 2 umfasst eine Signalgebereinrichtung 1 ein Gehäuse 2, bevorzugt aus einem Kunststoff, an dem oder wie hier bevorzugt in dem ein Biegebalken 3 angeordnet ist. In 1 ist der Biegebalken 3 in zwei Endlagen dargestellt, nämlich in seiner geradlinigen unbelasteten Ausgangsstellung und schraffiert in seiner maximal verformten, durchgebogenen Endlage.

Ferner umfasst die Signalgebereinrichtung 1 gemäß 2 eine Biegesensorik 4, die so ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit von Biegebelastungen, die am Biegebalken 3 auftreten, elektrische Signale generiert. Zur Spannungsversorgung und zum Signalabgriff sind elektrische Anschlüsse 5 vorgesehen, die auf geeignete Weise mit der Biegesensorik 4 elektrisch verbunden sind. In 2 ist der Biegebalken 3 transparent dargestellt, wodurch die Biegesensorik 4 bzw. die gesamte Schaltung erkennbar ist, unabhängig davon, ob sich die jeweiligen Komponenten auf einer dem Betrachter in 2 zugewandten ersten Seite oder auf einer in 2 vom Betrachter abgewandten zweiten Seite des Biegebalkens 3 befinden.

Beim Biegebalken 3 kann es sich beispielsweise um ein biegeelastisches Leiterplattenmaterial handeln. Ebenso kann es sich beim Biegebalken 3 um ein Federmetall handeln, das auf geeignete Weise elektrisch isoliert ist. Grundsätzlich ist zur Herstellung des Biegebalkens 3 auch ein beliebiges anderes federelastisches Material geeignet, das auf geeignete Weise elektrisch isoliert ist oder das aus einem entsprechenden elektrisch nicht leitfähigen Material besteht.

Entsprechend der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Biegesensorik 4 direkt am Biegebalken 3 angebracht. Dabei ist es insbesondere möglich, die ganze Biegesensorik 4 oder zumindest einen Teil davon direkt auf den Biegebalken 3 aufzudrucken oder durch eine entsprechende Beschichtung am Biegebalken 3 anzubringen. Beispielsweise lassen sich elektrische Widerstände 6 aus einem entsprechenden Leitplastikmaterial auf den Biegebalken 3 aufdrucken. Ebenso können elektrische Leitungen 7 aufgedruckt sein. Die Leitungen 7 können jedoch auch in herkömmlicher Leiterplattentechnologie, z.B. durch Ätzverfahren oder Dampfbeschichtung, auf den Biegebalken 3 angebracht werden. Das Aufdrucken der Biegesensorik 4 oder zumindest von Komponenten der Biegesensorik 4 folgt bevorzugt mittels Dickschichttechnologie, insbesondere im Siebdruckverfahren.

Die Biegesensorik 4 kann nach Art einer sogenannten Wheatstone-Brücke oder Wheatstone-Schaltung aufgebaut sein. Eine derartige Wheatstone-Brücke weist in üblicher Weise vier spannungsempfindliche Widerstände 6 auf, die auf bestimmte Art und Weise verschaltet sind.

Bevorzugt wird dabei hier eine Ausführungsform, bei der zwei dieser Widerstände 6 an der in 3 gezeigten ersten Seite oder Oberseite des Biegebalkens 3 angeordnet sind, während die beiden anderen Widerstände 6 an der in 4 gezeigten zweiten Seite oder Unterseite des Biegebalkens 3 angebracht sind. Dies führt dazu, dass bei einer Biegebelastung des Biegebalkens 3 die einen Widerstände 6 auf Zug belastet werden, während gleichzeitig die anderen Widerstände 6 auf Druck belastet werden. Hierdurch ergibt sich eine starke Verstimmung der Messbrücke schon bei relativ kleinen Durchbiegungen. Dementsprechend kann eine relativ hohe Messgenauigkeit erzielt werden.

5 zeigt die Wheatstone-Schaltung bzw. die Biegesensorik 4 im Prinzip. Sie umfasst die vier Widerstände 6, die durch die Leitungen 7 in der gezeigten Weise miteinander verschalter sind. Die Punkte P1 bis P5 repräsentieren dabei die Anschlüsse 5. Die Spannungseinleitung erfolgt an den Punkten P3 und P4 für den Pluspol und an Punkt P5 für den Minuspol der Versorgungsspannung. Bei unbelastetem Biegebalken 3 liegt zwischen den Punkten P1 und P2 keine Spannungsdifferenz an. Wird der Biegebalken 3 durch Belastung verbogen, werden die Widerstände 6 der Oberseite des Biegebalkens 3 gestreckt, während gleichzeitig die Widerstände 6 der Unterseite gestaucht werden. Durch die Verformung ändern sich die ohmschen Widerstandswerte der Widerstände 6 gegensätzlich. Dies lässt sich insbesondere mit der aufgedruckten Leitplastikbeschichtung realisieren. Während also der Widerstandswert auf der gestreckten Oberseite zunimmt, verringert er sich gleichzeitig auf der gestauchten Unterseite. Durch die Anordnung der Widerstände 6 zwischen den Punkten P3 und P1 sowie zwischen den Punkten P5 und P2 auf der Oberseite und durch die Anordnung der Widerstände 6 zwischen den Punkten P1 und P5 sowie zwischen den Punkten P2 und P4 auf der Unterseite des Biegebalkens 3 kommt es zu einer Verstimmung der Messbrückenschaltung. Diese ist daran erkennbar, dass zwischen den Punkten P1 und P2 deutlich messbare Spannungsunterschiede entstehen.

Im Idealfall besteht zwischen der aufgebrachten Kraft auf dem Biegebalken 3 und der an der Messbrücke 4 entstehenden Ausgangsspannung an den Punkten P1 und P2 ein proportionales Verhältnis. Um Fertigungstoleranzen auszugleichen, ist es insbesondere möglich, an den Punkten P3 oder P4 Korrekturwiderstände einzufügen, um die Brückenspannung im unbelasteten Zustand auf eine Ausgangsspannung von 0 Volt abzugleichen.

Ferner kann die Biegesensorik 4 insbesondere eine Auswerteschaltung und/oder eine Verstärkerschaltung umfassen, hier nicht dargestellt. Eine derartige Schaltung kann ebenfalls am Biegebalken 3 angeordnet sein, und zwar bevorzugt in einem Abschnitt, der im Betrieb keinen oder nur vergleichsweise kleinen Biegeverformungen ausgesetzt ist.

Entsprechend den 1 und 2 ist der Biegebalken 3 am Gehäuse 2 einseitig im Bereich eines Endes 8 festgelegt, während er im übrigen freistehend im Gehäuse 2 angeordnet ist. Die Festlegung des Biegebalkens 3 im Gehäuse 2 kann beispielsweise durch Einspannen oder Verklemmen des jeweiligen Biegebalkenendes 8 in einem entsprechenden Gehäuseabschnitt realisiert werden.

Der Biegebalken 3 trägt einen Betätigungsstift 9. Der Betätigungsstift 9 ist beispielsweise mit zwei Dornen 10 durch den Biegebalken 3 durchgesteckt, der hierzu entsprechende Öffnungen 11 enthält. Ferner enthält das Gehäuse 2 eine Gehäuseöffnung 12, durch die der Betätigungsstift 9 aus dem Gehäuse 2 herausragt. Zweckmäßig ist der Betätigungsstift 9 im Bereich eines freistehenden Endes 13 am Biegebalken 3 angeordnet.

Durch Betätigen des Betätigungsstifts 9 kann eine Biegeverformung des Biegebalkens 3 realisiert werden. Die Länge des Betätigungsstifts 9 ist dabei bevorzugt so gewählt, dass der Betätigungsstift 9 so weit in das Gehäuse 2 eindrückbar ist, bis sein freistehendes Ende 14 bündig mit einer Gehäuseseite 15 abschließt, welche die Gehäuseöffnung 12 enthält, ohne dass dabei eine Überlastung des Biegebalkens 3 und/oder der Biegesensorik 4 entsteht. Der Betätigungsstift 9 ist somit als Überlastschutz dimensioniert. Ein weiterer Überlastschutz für den Biegebalken 3 bzw. die Biegesensorik 4 kann dadurch realisiert werden, dass im Gehäuse 2 ein mechanischer Anschlag 16 ausgebildet wird. Der Anschlag 16 ist im Gehäuse 2 so angeordnet, dass der Biegebalken 3 bei Erreichen einer vorbestimmten maximalen Biegeverformung daran zur Anlage kommt. Diese maximale Biegeverformung ist dabei so gewählt, dass dabei keine Überlastung des Biegebalkens 3 und/oder der Biegesensorik 4 entsteht.

Die hier bevorzugt verwendete Biegesensorik 4 ist so ausgestaltet, dass sie ein mit der Durchbiegung des Biegebalkens 3 korreliertes elektrisches Signal generieren kann, das an den Anschlüssen 5 abgreifbar ist. Durch die Verwendung des Betätigungsstifts 9 ergibt sich für die Biegesensorik 4 eine Ausgestaltung, die ein mit dem Betätigungsweg des Betätigungsstifts 9 korreliertes elektrisches Signal generiert, das an den Anschlüssen 5 abgreifbar ist. von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die von der Biegesensorik 4 generierten Signale analog abgreifbar sind, so dass es insbesondere möglich ist, jeden beliebigen Biegezustand des Biegebalkens 3 zu detektieren. Insbesondere lässt sich eine beliebige Auflösung zwischen den Endstellungen des Biegebalkens, also zwischen der am Anschlag 16 anliegenden maximalen Biegeverformung und dem unverformten Ausgangszustand realisieren.

Mit Bezug auf das eingangs genannte Beispiel kann die Biegeelastizität des Biegebalkens 3 beispielsweise so auf die den jeweiligen den Betätigungsstift 9 belastenden Waren abgestimmt sein, dass beispielsweise bei fünf und mehr Waren die maximale Durchbiegung erreicht ist und bei fehlenden Waren die Ausgangsstellung vorliegt. Die Signalgebereinrichtung 1 kann dann die Warenanzahl von 0 bis 4 eindeutig bestimmen und ab fünf Waren „Warenschacht voll" signalisieren. Es ist klar, dass das hier verwendete Zahlenbeispiel rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit zu verstehen ist.

Die Anschlüsse 5 sind entsprechend den 2 bis 4 am Biegebalken 3 bevorzugt so angeordnet, dass sie von der Biegebelastung des Biegebalkens 3 entkoppelt sind. Hierdurch wird die mechanische Belastung entsprechender elektrischer Verbindungen reduziert. Gleichzeitig können Messwertbeeinflussungen reduziert werden. Erreicht wird dies bevorzugt dadurch, dass der Biegebalken 3 einen Schlitz 17 enthält, der so geführt ist, dass er in einem dem freistehenden Ende 13 zugeordneten Bereich des Biegebalkens 3 beginnt und in einem dem festgelegten Ende 8 des Biegebalkens 3 zugeordneten Bereich endet. Ferner ist der Schlitz 17 so ausgeführt, dass er den Biegebalken 3 in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen Biegeabschnitt 18 und einen Anschlussabschnitt 19. Während der Anschlussabschnitt 19 die Anschlüsse 5 aufweist, sind am Biegeabschnitt 18 die biegesensitiven Komponenten der Biegesensorik 4 angeordnet. Die biegesensitiven Komponenten sind im Beispiel zumindest die Widerstände 6. Der Betätigungsstift 9 ist am Biegeabschnitt 18 angeordnet. Eine Betätigung des Betätigungsstifts 9 führt somit in erster Linie zu einer Biegeverformung des Biegeabschnitts 18. Durch die Einspannung des Biegebalkens 3 im Bereich des feststehenden Endes 8 ist der Anschlussabschnitt 19 weitgehend von der Biegeverformung des Biegeabschnitts 18 entkoppelt. Insbesondere sind die Leitungen 7, welche die Widerstände 6 mit den Anschlüssen 5 verbinden, durch den Bereich des eingespannten Endes 8 durchgeführt, so dass auch hier eine gewisse Entlastung der Leitungen 7 gegeben ist.


Anspruch[de]
Signalgebereinrichtung nach Art eines Mikroschalters, insbesondere Kraftsensor oder Drucksensor,

– mit einem Gehäuse (2), an oder in dem ein Biegebalken (3) angeordnet ist,

– mit einer Biegesensorik (4), die in Abhängigkeit von am Biegebalken (3) auftretenden Biegebelastungen Signale generiert.
Signalgebereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (3) aus Leiterplattenmaterial oder aus elektrisch isoliertem Federmaterial oder aus einem anderen Federmaterial besteht. Signalgebereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

– dass die Biegesensorik (4) am Biegebalken (3) angebracht ist, und/oder

– dass die Biegesensorik (4) eine Wheatstone-Brücke aufweist, und/oder

– das spannungsempfindliche Widerstände (6) der Wheatstone-Brücke an der Oberseite und an der Unterseite des Biegebalkens (3) angeordnet sind, und/oder

– dass spannungsempfindliche Widerstände der Wheatstone-Brücke so am Biegebalken (3) angeordnet sind, dass eine Biegebelastung des Biegebalkens (3) zu einer möglichst großen Verstimmung der Wheatstone-Brücke führt.
Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Biegebalken (3) mit Widerstands-Dickschichtmaterial, insbesondere aus Leitplastikmaterial, beschichtet bzw. bedruckt ist, und/oder

– dass spannungsempfindliche Widerstände (6), insbesondere einer Wheatstone-Brücke, auf den Biegebalken (3) aufgedruckt oder geschichtet sind.
Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (3) in einem keinen oder nur vergleichsweise kleinen Biegeverformungen ausgesetzten Abschnitt eine Auswerteschaltung und/oder Verstärkerschaltung aufweist. Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (3) am Gehäuse (2) einseitig festgelegt, insbesondere eingespannt ist, und im übrigen freistehend im Gehäuse (2) angeordnet ist. Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (3), insbesondere im Bereich seines freistehenden Endes (13), einen Betätigungsstift (9) trägt, der durch eine Gehäuseöffnung (12) aus dem Gehäuse (2) herausragt. Signalgebereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Betätigungsstifts (9) so gewählt ist, dass der Betätigungsstift (9) so weit in das Gehäuse (2) eindrückbar ist, bis sein freistehendes Ende (14) bündig mit einer die Gehäuseöffnung (12) enthaltenden Gehäuseseite (15) abschließt, ohne dass dabei eine Überlastung des Biegebalkens (3) und/oder der Biegesensorik (4) entsteht. Signalgebereinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesensorik (4) so ausgestaltet ist, dass sie ein analoges, mit dem Betätigungsweg des Betätigungsstifts (9) korreliertes Signal generiert. Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesensorik (4) so ausgestaltet ist, dass sie ein analoges, mit der Durchbiegung des Biegebalkens (3) korreliertes Signal generiert. Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) ein Anschlag (16) für den Biegebalken (3) ausgebildet ist, an dem der Biegebalken (3) bei Erreichen einer vorbestimmten maximalen Biegeverformung zur Anlage kommt, die so gewählt ist, dass dabei keine Überlastung des Biegebalkens (3) und/oder der Biegesensorik (4) entsteht. Signalgebereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesensorik (4) mit Anschlüssen (5) verbunden ist, die am Biegebalken (3) so angeordnet sind, dass sie von der Biegebelastung des Biegebalkens (3) weitgehend entkoppelt sind. Signalgebereinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (3) durch wenigstens einen Schlitz (17), der im Bereich des am Gehäuse (2) festgelegten Endes (8) des Biegebalkens (3) endet, in wenigstens zwei Abschnitte (18, 19) unterteilt ist, von denen der eine Abschnitt (19) die Anschlüsse (5) aufweist und von denen der andere Abschnitt (18) die biegungssensitiven Komponenten (6) der Biegesensorik (4) aufweist. Signalgebereinrichtung nach Anspruch 13 sowie nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstift (9) an dem Abschnitt (18) des Biegebalkens (3) angeordnet ist, der die biegesensitiven Komponenten (6) aufweist.






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